基于軸承分析的電機(jī)早期故障診斷方法及其應(yīng)用

寧效偉（廣東省粵電集團(tuán)韶關(guān)發(fā)電廠,廣東　韶關(guān)　512132）

基于軸承分析的電機(jī)早期故障診斷方法及其應(yīng)用

寧效偉
（廣東省粵電集團(tuán)韶關(guān)發(fā)電廠,廣東韶關(guān)512132）

電機(jī)是發(fā)電廠中極其重要的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性主要依賴于軸承，所以，對電機(jī)軸承早期的、輕微故障進(jìn)行及時與有效的判斷，變得越來越重要。本文以電機(jī)軸承各部位的輕微故障為重點，闡述了電機(jī)軸承的失效形式、失效原因以及故障的研究方法，總結(jié)出了滾動軸承故障時的振動頻率與故障的對應(yīng)部位，結(jié)合利用紅外熱像儀測得的電機(jī)端蓋表面溫度場的分布規(guī)律，得出了一種用于電機(jī)軸承早期故障的有效診斷方法，以防止電機(jī)故障的發(fā)生與提高設(shè)備檢修的消缺效率。

電機(jī)；軸承故障；振動頻率；故障診斷

1　電機(jī)軸承與故障

電機(jī)是發(fā)電廠中極其重要的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，直接關(guān)系到整臺發(fā)電機(jī)組的功率出力與安全運(yùn)行，因此，對處于的運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)故障的正確診斷，不但可以防止電機(jī)事故的發(fā)生，而且可以事先確定設(shè)備的修理方案與準(zhǔn)備好相應(yīng)的備品備件，以縮短設(shè)備的檢修時間與提高設(shè)備的消缺效率。

排除電機(jī)電源以及電機(jī)所聯(lián)接的機(jī)械方面帶來的故障現(xiàn)象，電動機(jī)常見的故障主要有：定子繞組故障（繞斷路、接地、繞短路、接錯嵌反等）；轉(zhuǎn)子故障（鼠籠式轉(zhuǎn)子的斷條、轉(zhuǎn)子軸彎曲、軸頸磨損、鍵槽損壞等）；電機(jī)軸承故障（缺油或少油導(dǎo)致的發(fā)熱、軸承損壞等）；電機(jī)本體故障（機(jī)座松動、端蓋止口磨損、本體部分變形破裂等）。

在上述原因中，電機(jī)軸承是電機(jī)最易損壞的部件之一。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，因滾動軸承故障導(dǎo)致的電機(jī)故障約占電機(jī)總故障的40%，定子線圈及附件的故障占38%，轉(zhuǎn)子繞組及附件的故障占10%，其他類型的故障12%[1]。因此，電機(jī)軸承的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整臺電機(jī)的工作性能。發(fā)電廠中電機(jī)眾多，絕大部分軸承為滾動軸承，本文以滾動軸承的電機(jī)為研究對象。

2　電機(jī)軸承故障的研究方法

電機(jī)軸承故障檢測的方法主要有以下三種：

（1）以振動信號為基礎(chǔ)的故障診斷：根據(jù)現(xiàn)場所采集的振動參數(shù)來進(jìn)行分析的方法，是目前應(yīng)用范圍最廣、最簡便也是最有效的一種方法。利用振動測試儀器或者傳感器，從電機(jī)對應(yīng)部位測量到相應(yīng)的軸承振動參數(shù)，例如振幅、振速、頻率等等，然后從這些參數(shù)中提取所需的故障特征信息進(jìn)行故障檢測與判斷，由于滾動軸承各部位以及故障的嚴(yán)重程度，均可以從這些振動信號上反映出來，因此這種手段的準(zhǔn)備率比較高，得到了廣泛的使用；

（2）根據(jù)軸承的溫度幅值與趨勢來進(jìn)行故障診斷：軸承溫度的變化主要取決于軸承正常運(yùn)行中摩擦所產(chǎn)生的熱量以及軸承的本身和外加附件的散熱能力的強(qiáng)弱。當(dāng)軸承某個部件發(fā)生故障時，故障部件與完好的部件之間的摩擦?xí)觿。a(chǎn)生的熱量也會急劇增加，于是溫度便會升高，因此可以通過對軸承溫度絕對值與溫升速率的比較來進(jìn)行故障判斷，但是該方法容易受軸承散熱系統(tǒng)與環(huán)境溫度的影響，并且對軸承早期的、輕微的故障不靈敏，也不能反映出存在較嚴(yán)重故障的軸承的具體部位；

（3）通過采集軸承油樣進(jìn)行故障診斷：主要是對采集到的潤滑油本身以及油中存在的微小顆粒進(jìn)行的物理與化學(xué)分析，若軸承存在故障，則必然會導(dǎo)致油中存在微小的金屬顆粒，但是油樣分析，嚴(yán)重依賴于采樣者的個人經(jīng)驗、采樣部位，同時化學(xué)分析需要高度的專業(yè)性，一般適合于定期進(jìn)行檢測。

此外，還有利用軸承在運(yùn)行中因滾動體沖擊會產(chǎn)生一些寬帶高頻沖擊脈沖振動的基于沖擊脈沖信號故障診斷[2]，利用軸承在運(yùn)行中滾動體引起接觸面的彈性沖擊而產(chǎn)生聲發(fā)射信號的聲發(fā)射故障診斷[3]，利用金屬與潤滑油導(dǎo)電性能不同的特性、以及油膜電阻與油膜厚度所固有的關(guān)系而開發(fā)出來的軸承油膜電阻診斷法[4]，等等，均存在一定的局限性。

3　電機(jī)滾動軸承的失效形式與失效原因

滾動軸承的失效形式主要有：（1）磨損失效，（2）疲勞剝落（點蝕），（3）腐蝕失效，（4）斷裂失效，（5）壓痕失效，（6）膠合失效，（7）保持架損壞。

電機(jī)軸承故障的主要來源于幾個方面：

（1）制造、設(shè)計與材質(zhì)：設(shè)計不合理，特性不良，運(yùn)行時發(fā)生自激振動或者強(qiáng)迫振動；軸承結(jié)構(gòu)不合理、部件應(yīng)力集中；材質(zhì)不當(dāng)，強(qiáng)度剛度不夠等；

（2）組裝工藝：組裝不當(dāng)；與機(jī)械的軸系校中不準(zhǔn)；機(jī)械與電機(jī)的參數(shù)調(diào)整不當(dāng)；轉(zhuǎn)子微弱彎曲或長期放置不當(dāng)，改變了動平衡精度等；

（3）電機(jī)運(yùn)行工況：軸承潤滑不良或散熱系統(tǒng)故障；啟動、升降速過程中操作不當(dāng)?shù)?；電機(jī)長期超轉(zhuǎn)速或過低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，改變了電機(jī)的工作特性；

（4）電機(jī)老化：軸承與端蓋的止口磨損、點蝕或腐蝕；上下端蓋等配合面存在應(yīng)力并磨損，產(chǎn)生過盈或松動；運(yùn)行時間超過年限，鐵芯硅鋼片松動從而導(dǎo)致主軸擾度增大等。

4　電機(jī)振動的特性與頻率

當(dāng)電機(jī)軸承運(yùn)行時，軸承內(nèi)圈會有帶著一定的負(fù)載、并具有相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，必然會對整個軸系系統(tǒng)產(chǎn)生激勵，從而導(dǎo)致軸承系統(tǒng)的振動。在使用中，滾動體因要承受所帶的機(jī)械負(fù)載，其表面的凹凸形狀是未知的，也沒有規(guī)律可循，因此在承受沖擊力時所產(chǎn)生的沖擊信號也是難以預(yù)測的，所以這個時候所測到振動信號就是由各種頻率的振動信號隨機(jī)組合而成的。當(dāng)軸承發(fā)生故障時，軸承的轉(zhuǎn)動速度、內(nèi)外圈和滾動體表面的凹凸形態(tài)共同構(gòu)成了軸承沖擊力的頻譜與振動系統(tǒng)的傳遞性。因此，故障時候的振動頻率，是由軸承的外圈、內(nèi)圈和滾動體三者的振動頻率共同決定的。一般情況下，軸承的故障程度越嚴(yán)重、旋轉(zhuǎn)的速度越高，振動的幅值就會越大。軸承的尺寸決定了滾動軸承的固有頻率，因此，因軸承各部位故障所導(dǎo)致的振動，對于滾動軸承的固有頻率是沒有影響的[5]。當(dāng)軸承故障時，所獲得的振動信號，是多種頻率的振動信號混合在一起，需要區(qū)別開來，因而基于振動信號的故障判斷，就是根據(jù)滾動軸承的轉(zhuǎn)動速度和不同的故障頻率進(jìn)行的，所以需要分析軸承各個部位的故障頻率和提取相應(yīng)的故障特征。

4.1電機(jī)特征頻率

電機(jī)主轉(zhuǎn)動軸上的部件主要包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子本體、以及軸承等，在較低的轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的特征頻率就是主軸的轉(zhuǎn)頻：?=N/60，N為主軸轉(zhuǎn)速。主軸的振動能量是整臺電機(jī)振動能量的主要部分，其振動頻率處于電機(jī)各部位振動頻率中的最低頻段。這種振動對應(yīng)的主要故障：軸承不平衡、軸承對中不良、軸承存在裂紋或腐蝕等，故障時的頻率特性：易出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍次諧波分量，且較多。

4.2減速箱特征頻率[6]

故障主要有：磨損、偏心、不平衡、齒輪軸對中不良、點蝕等，各故障的特性如下：

（1）齒輪表面的磨損：隨著齒輪表面的磨損程度的加劇，各次諧波的幅值增加較快，而且二次諧波的幅值會大于嚙合頻率的幅值；

（2）齒輪的不平衡、對中不良：在振動信號中表現(xiàn)為邊帶，主要出現(xiàn)在與旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)的各次諧波頻率。

（3）齒輪的局部故障和點蝕：在各次諧波頻率和嚙合頻率的兩邊產(chǎn)生一系列的邊頻帶，且含有一系列的變頻成分，但是兩者是不同的，點蝕時幅值比較大、過頻成份少但集中，局部故障時幅值比較小、邊頻數(shù)量較多且分散均勻。

4.3滾動軸承特征頻率[7]

軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率m個滾動體（或保持架）經(jīng)過軸承內(nèi)圈上一點的頻率m保持支架旋轉(zhuǎn)頻率m個滾動體（或保持架）經(jīng)過軸承外圈上一點的頻率m滾動體上一點通過軸承內(nèi)圈或軸承外圈頻率

4.4滾動軸承故障時的振動特性

　故障類型　特征頻率　故障類型　　　　　特征頻率　故障類型　　　 特征頻率裝配不正或軸承存在變形z±滾動體大小不一致?m ±（m=1,2,3…）滾動體橢圓度m ?m潤滑不良(m=1,2,3…）內(nèi)外圈橢圓度　2軸承偏心　(m=1,2,3…）(m=1,2,3…）內(nèi)圓上有點蝕　(有徑向間隙時) m±m(xù)z2mz(m=1,2,3…）外圓出現(xiàn)點蝕(m=1,2,3…）滾動體出現(xiàn)點蝕　(無徑向間隙時) (m=1,2,3…）內(nèi)圓上有點蝕　(無徑向間隙時) mz2mz±(m=1,2,3…）滾動體出現(xiàn)點蝕　(有徑向間隙時) (m=1,2,3…）

5　電機(jī)軸承故障的溫度場分布

當(dāng)電機(jī)軸承出現(xiàn)故障后，其表現(xiàn)出來的一個重要特征就是軸承安裝部位的溫度升高，隨著軸承故障的惡化，軸承產(chǎn)生的熱量會超過軸承的散熱能力，導(dǎo)致軸承部位的溫度快速升高。通過試驗發(fā)現(xiàn)[8]：發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸承的端蓋溫度分布，不論故障軸承還是正常軸承，溫度都是沿徑向從內(nèi)到外逐步降低，并且在端蓋軸承座的正對部位，溫度變化緩慢，但是從軸承外徑繼續(xù)向外，端蓋溫度下降迅速；在同負(fù)荷條件下，軸承故障越嚴(yán)重，其端蓋的表面溫升越大，因此可以通過相似或同樣負(fù)載條件下的端蓋表面溫升的變化，對軸承狀態(tài)進(jìn)行初步判斷，但電機(jī)端蓋表面的絕對溫升隨負(fù)荷增加而升高，因此不能僅僅憑借端蓋表面溫升來對相應(yīng)軸承狀態(tài)進(jìn)行判斷；電機(jī)負(fù)荷的變化雖然對端蓋溫升影響很大，但是對端蓋溫度場的分布規(guī)律影響卻很?。ㄝS承有故障時，軸承安裝位置附近的端蓋位置的溫度與周圍的溫度邊界輪廓清晰，而正常軸承卻模糊），基本可以忽略。紅外熱成像儀操作簡便、顯示直觀，能直接在不影響設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)下顯示各端蓋的溫度分布，盡管對電機(jī)軸承狀態(tài)的判斷缺乏相應(yīng)的理論依據(jù)，但可以利用測得的電機(jī)端蓋表面溫度場分布規(guī)律，對電機(jī)軸承狀態(tài)進(jìn)行實時初步判斷。

6　電機(jī)軸承早期故障的診斷方法

電機(jī)故障的原因很多，但大體上可分為電機(jī)本體原因和外部原因，電機(jī)故障的外部原因比較容易發(fā)現(xiàn)與排除，本體原因比較復(fù)雜，其中電機(jī)軸承故障是電機(jī)安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是電機(jī)軸承是否有早期的、輕微的故障（振動幅值、軸承溫升、電流等參數(shù)均不明顯），以及軸承的故障部位的確定是軸承判斷的難點，因此，積極與有效的對運(yùn)行中的電機(jī)軸承狀態(tài)進(jìn)行判斷與評估，及時將電機(jī)解體大修，可以有效防止電機(jī)故障的發(fā)生?？梢岳帽疚闹械姆椒?，得到一個有效的電機(jī)軸承故障診斷方法：一方面利用紅外熱成像儀，測得的相關(guān)工況下電機(jī)端蓋表面溫度場的分布規(guī)律，進(jìn)行對照比較，從而對電機(jī)軸承的狀態(tài)進(jìn)行初步判斷；另一方面從現(xiàn)場測得電機(jī)軸承的振動頻率，查得該電機(jī)的軸承參數(shù)，計算出軸承的特征頻率；當(dāng)兩種方式都確定電機(jī)軸承存在故障時，則可安排電機(jī)進(jìn)行解體大修，并對照上述中的頻率與故障類型，結(jié)合實際運(yùn)行參數(shù)，查找并確定電機(jī)軸承的故障部位，做好預(yù)處理方案與備品備件的準(zhǔn)備，提高設(shè)備檢修的消缺針對性與消缺效率。

[1]POPA L M，JENSEN B B，RITCHIE E，et al. Condition monitoring of wind generators. Industry Applications Conference，2003，3:1839-1846.

[2]婁源元.基于沖擊脈沖法的滾動軸承故障診斷方法研究[D].華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008(02).

[3]郝如江，盧文秀,褚福磊.聲發(fā)射檢測技術(shù)用于滾動軸承故障診斷的研究綜述[J].振動與沖擊,2008,27(03):71-89.

[4]崔焱,秦穎.滑動軸承潤滑油膜厚度測量方法分析[J].機(jī)械管理開發(fā),2009,24(04):15-36.

[5]湯寶平,蔣永華,張詳春.基于形態(tài)奇異值分解和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的滾動軸承故障特征提取方法[J].機(jī)械工程學(xué)報,2010,46(05):37-48.

[6]陳長征,胡立新著.設(shè)備振動分析與故障診斷技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007:36-86.

[7]王官軍.基于小波分析的提升設(shè)備智能化故障診斷研究[D].山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2001:24-39.

[8]王艷武，楊立，陳翾等.異步電機(jī)轉(zhuǎn)子三維溫度場及熱應(yīng)力場研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2010,14(06):27-32.

寧效偉（1979—），男，湖南邵陽人，研究生，工程碩士，主要從事：發(fā)電廠電氣一次設(shè)備的檢修與技術(shù)研究工作。